電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第2課

1電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程孔維健信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院TelEmail：kongweijian@2電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)課程內(nèi)容總貌3內(nèi)容提綱：1、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)3.1比例控制

4內(nèi)容提綱：1、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)3.1比例控制

5

對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個(gè)方面：（1）調(diào)速—在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地或平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速—以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)；（3）加、減速—頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。1.穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)（1）調(diào)速范圍：

生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin和nmax一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，一般以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速。調(diào)速范圍實(shí)際計(jì)算公式：靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速

n0之比，稱作靜差率s

，即穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)（2）或用百分?jǐn)?shù)表示

式中nN=n0-nN

(2-26)(2-27)8(3)靜差率與機(jī)械特性硬度的關(guān)系OTeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n

特性a和b的

硬度相同特性a和b的額定速降相同特性a和b的靜差率不相同9

靜差率與機(jī)械硬度的關(guān)系（續(xù)）例如：在某一電樞電壓輸入下，空載1000r/min時(shí)降落10r/min，靜差率為1%；降低電樞電壓使空載為100r/min時(shí)，同樣降落10r/min，靜差率卻升為10%；如果在只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

10對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。因此：調(diào)速系統(tǒng)的靜差率應(yīng)以最低速的數(shù)值為準(zhǔn)。即：(4)靜差率的實(shí)際計(jì)算公式(4)調(diào)速范圍、靜差率和額定速降的關(guān)系

設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN，轉(zhuǎn)速降落為nN，則該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即而調(diào)速范圍為

于是，最低轉(zhuǎn)速為

將上面的式代入nmin，得

(4)調(diào)速范圍、靜差率和額定速降關(guān)系

（續(xù)）對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值是定值要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。(2-28)13（5）穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)使用注意：◆調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。◆調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)?！粽{(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。14例題1-1

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430r/min，額定速降nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？解:要求30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是15內(nèi)容提綱：1、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1比例控制

（1）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖（2）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電力電子變換器 直流電動(dòng)機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為

開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（3）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜差率

開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性都有較大的負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速降落，它制約了開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜差率s。圖2-17開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性19要求S不大于5%，開環(huán)能滿足嗎20例1-2

:某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)：Z2-93型、60kw、220V、305A、1000r／min，如果采用V-M系統(tǒng)，已知主回路總電阻R＝0.18Ω，電動(dòng)機(jī)Ce＝0.2V·min/r。如果要求D＝20，s＜5％，則開環(huán)調(diào)速能否滿足？開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為

這已大大超過了5％的要求！解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為

如果要滿足生產(chǎn)工藝D＝20，s＜5％的要求，ΔnN應(yīng)該是多少呢?

21

◆開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求?！舴答伩刂频拈]環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。因此，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍。如何獲得滿足要求的靜差率？221、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋直流調(diào)速系統(tǒng)

3.1比例控制

3.1.1靜分析3.1.2動(dòng)態(tài)分析

內(nèi)容提綱：（1）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。

24Ud4Ud3Ud2Ud1IdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性圖1-26閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系0n（1）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理（續(xù)1）25

閉環(huán)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)

Idn例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從AA’

閉環(huán)系統(tǒng)

IdnUnUn

nUd0Uc例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從AB（1）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理（續(xù)2）（2）比例控制調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un，與給定電壓U*n相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n。圖2-18采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgUPE原理UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。UcUd0u~ACDC（2）比例控制調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（續(xù)）假設(shè)條件：

下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。圖2-18采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGT+-+-+-Utgn+--+?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUd（3）比例控制調(diào)速系統(tǒng)靜特性分析穩(wěn)態(tài)系數(shù)：圖2-18采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGT+-+-+-Utgn+--+?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUd

Kp—放大器的電壓放大系數(shù)Ks

—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；R—電樞回路總電阻。α—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（V·min/r）Ud0

—UPE的理想空載輸出電壓；30

電壓比較環(huán)節(jié)

放大器

電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測速反饋環(huán)節(jié)

每個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)分析：31（4）比例控制調(diào)速系統(tǒng)方框圖32a）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)b）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)33（5）比例控制調(diào)速系統(tǒng)靜特性方程34開環(huán)機(jī)械特性：

閉環(huán)系統(tǒng)靜特性：（6）開環(huán)與比例控制調(diào)速的比較35閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多

閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率比開環(huán)系統(tǒng)小得多（按理想空載轉(zhuǎn)速相同進(jìn)行比較）

（6）開環(huán)與比例控制調(diào)速的比較（續(xù)1）36所要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可大大提高調(diào)速范圍（最高轉(zhuǎn)速相同）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

（6）開環(huán)與比例控制調(diào)速的比較（續(xù)2）37

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。（7）結(jié)論38例題1-3

在例題1-2中，龍門刨床要求D=20，s<5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min，由代入已知參數(shù)，則得

391、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1比例控制

3.1.1靜分析

3.1.2動(dòng)態(tài)分析

內(nèi)容提綱：（1）動(dòng)態(tài)模型的建立方法

建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。41（2）比例調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-圖2-18采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGT+-+-+-Utgn+--+?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUd放大環(huán)節(jié)電力電子變換器環(huán)節(jié)電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)測速環(huán)節(jié)42電力電子器件的傳遞函數(shù)不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是

只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。43+

直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)(1-46)

假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為

電路方程44

如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為

(1-47)

額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為(1-48)

(1-49)

電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N-m電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，N-m245—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s；

—

電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。

定義下列時(shí)間常數(shù)46

代入式（1-46）和（1-47）,并考慮式（1-48）和（1-49），整理后得(1-50)

(1-51)

式中為負(fù)載電流。

微分方程47

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)(1-52)

(1-53)

傳遞函數(shù)48

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb.式（1－53）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)a.式（1－52）的結(jié)構(gòu)圖圖1-34額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖49n(s)c.整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖1/CeUd0IdL

(s)

EId(s)++--1/RTls+1RTms50

由上圖c可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。

▲理想空載電壓-------控制輸入量▲負(fù)載電流----------擾動(dòng)輸入量如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則IdL

=0，結(jié)構(gòu)圖即簡化成下圖b。51n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a.IdL≠052n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）b.IdL=053

直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即放大器測速反饋（1-55）

（1-54）

3.控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)544.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如下圖所示。將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)555.調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 式中K=KpKs/Ce

（1-56）

根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)能看出什么結(jié)論？566.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是（1-57）

571.5.2反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

由式（1-57）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為（1-58）

它的一般表達(dá)式為

58

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

式（1-58）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有或59整理后得

（1-59）

式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr,當(dāng)K

≥

Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。

對于一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。

＝Kcr601、穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)速反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

3.1比例控制

3.2反饋的效用

內(nèi)容提綱：61反饋控制的效用

只用比例放大器的反饋控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是有靜差的。，才能使只有62

一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。

反饋控制系統(tǒng)的作用限制在：63

給定和擾動(dòng)作用

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調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)源負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的